Glycanen zijn essentieel voor vrijwel elk biologisch proces in het lichaam. Deze complexe structuren - samengesteld uit in elkaar grijpende suikermoleculen - sieren de oppervlakken van cellen in vage overvloed. Glycanen zijn een cruciaal onderdeel van de identiteit van een cel, helpt het te communiceren met andere cellen en met de externe omgeving. Van glycanen is ook bekend dat ze een vitale rol spelen bij kanker, auto-immuunziekte en talloze andere aandoeningen.

Ondanks hun alomtegenwoordigheid en belangrijkheid, glycanen blijven een van de meest raadselachtige biologische spelers.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Biodesign Institute van de Arizona State University sluiten zich aan bij een internationale onderzoeksgroep om de diepere mysteries van de structuur en functie van glycaan te onderzoeken. Om dit te doen, ze hebben een bibliotheek samengesteld van de enzymen die nodig zijn om te creëren, glycanen wijzigen en afbreken. Met behulp van deze bibliotheek, de groep was in staat om deze enzymen tot expressie te brengen in twee soorten cellulaire gastheren:zoogdieren en insecten.

"Het is duidelijk dat deze uitgebreide suikerstructuren een cruciale rol spelen bij zowel gezondheid als ziekte, " zegt Joshua LaBaer, directeur van het Biodesign Institute en Virginia G. Piper Center for Personalised Diagnostics.

Hij gaat verder met te zeggen dat de wetenschap nog steeds heel weinig begrip heeft van glycaanactiviteit, omdat, in tegenstelling tot andere processen in de biologie, ze zijn niet samengesteld op basis van een sjabloon. In plaats daarvan, ze worden geproduceerd door een complex samenspel van een grote familie van enzymen die specifieke suikers toevoegen en verwijderen, afhankelijk van waar verschillende familieleden voorkomen en andere factoren. "Voor de eerste keer, we hebben gekloonde kopieën gemaakt en geassembleerd van alle enzymen in deze familie, het creëren van een toolkit van onschatbare waarde die onderzoekers kunnen gebruiken om deze structuren te bouwen en te testen, ', zegt Labaer.

Resultaten van de nieuwe studie, die verschijnen in het huidige nummer van het tijdschrift Natuur Chemische Biologie , potentieel een brede impact hebben op gebieden variërend van nieuwe diagnostiek en therapieën voor ziekten, andere ontwikkelingen op het gebied van gezondheid, materiaalkunde en energie.

Het leven is zoet

"Het bestuderen van glycaanstructuren in dierlijke celsystemen is van oudsher een grote uitdaging geweest, vooral op het gebied van technologie, " zegt Kelley Moremen van de Universiteit van Georgia, hoofdauteur van de nieuwe studie. "Om te begrijpen hoe deze moleculen worden gemaakt en gereguleerd in termen van functie aan het celoppervlak, het is belangrijk om de enzymatische machinerie te begrijpen die ze maakt, wijzigt ze en breekt ze af."

Een van de vier hoofdklassen van macromoleculen waaruit levende systemen bestaan, (samen met nucleïnezuren, eiwitten en lipiden), glycanen zijn essentieel voor celstructuur en functie. Ze spelen een cruciale rol bij celsignalering, immuniteit, en ontsteking.

Bijvoorbeeld, glycanen op celoppervlakken zijn cruciaal voor moleculaire herkenning, witte bloedcellen door het lichaam leiden naar infectieplaatsen, waardoor het immuunsysteem kan reageren waar nodig. Deze dynamiek is duidelijk te zien tijdens de vroege stadia van griepinfectie, waar het influenzavirusdeeltje zich hecht aan een menselijke gastheercel door glycanen op het celoppervlak te herkennen en eraan te binden.

Het immuunsysteem reageert op dergelijke bedreigingen door de glycansuikercoating van virussen te leren herkennen, bacteriën en andere indringers, het opzetten van zowel aangeboren als adaptieve afweermechanismen.

Verschillende vormen van suiker zijn essentieel voor het leven. Glucose, een van de meest belangrijke, is een primaire metaboliet die energie levert aan de hersenen. Het is ook een voorbeeld van de tweesnijdende aard van complexe suikers, omdat de ontregeling ervan een centrale risicofactor is voor de ontwikkeling van hart- en vaatziekten. suikerziekte, bijvoorbeeld, is het gevolg van onjuiste glucoseregulatie door normale metabole mechanismen. Hoge concentraties glucose kunnen ernstige orgaanschade veroorzaken, terwijl lage concentraties kunnen leiden tot bewustzijnsverlies en plotselinge dood als gevolg van onvoldoende energie.

Ergens anders, de wanden van plantencellen bestaan ​​voornamelijk uit glycanen en zijn verantwoordelijk voor de dominante bron van biologische koolstofvastlegging van de planeet, of biomassa. Ze vertegenwoordigen een grotendeels onaangeboorde duurzame bron van niet-fossiele energie op basis van brandstoffen.

Tot nu toe echter glycanen hebben niet hetzelfde niveau van wetenschappelijke aandacht genoten als nucleïnezuren of eiwitten en veel van hun subtiele takenpakket blijft in nevelen gehuld. De reden is dat het duizelingwekkende assortiment van glycanstructuren, tot voor kort, was notoir moeilijk om te studeren.

Genen naar eiwitten

Veel van de machinerie van het leven is goed begrepen, althans in grote lijnen. Verschillende rangschikkingen van de 4 nucleïnezuren in DNA vormen genen die eerst worden getranscribeerd in RNA, vervolgens vertaald in eiwitten, volgens een streng regime.

Glycanen zijn anders. Ze worden niet geproduceerd uit sjablonen zoals RNA en eiwit, maar in plaats daarvan, worden zo nodig on-the-fly geassembleerd volgens complexe factoren in de omgeving, waaronder cellulair metabolisme, celtype, ontwikkelingsfase, beschikbaarheid van voedingsstoffen en vele andere signalen. Gespecialiseerde cellen zoals zenuw, huid- of spiercellen hebben hun eigen unieke complement van glycanen en zieke cellen vertonen typisch karakteristieke afwijkingen in de glycanen die ze sieren. Om deze rijkdom aan glycaandiversiteit te produceren, een groot aantal gespecialiseerde enzymen worden ingeschakeld.

Glycanen hechten doorgaans aan specifieke locaties op eiwitten, het moduleren van hun biologische activiteit door middel van moleculaire herkenning of het beïnvloeden van hun circulatietijd in de bloedbaan. Glycosylering - de toevoeging van glycaanmoleculen - is een van de belangrijkste regulerende mechanismen die eiwitten beïnvloeden nadat ze al uit RNA zijn getranslateerd. Dergelijke post-translationele modificaties maken een vrij bescheiden aantal menselijke genen mogelijk - slechts 25, 000 of zo - om de verbazingwekkende complexiteit en diversiteit te genereren die wordt waargenomen bij mensen en tussen menselijke populaties.

Dit nieuwe inzicht in eiwitten als zeer dynamische entiteiten heeft een revolutie teweeggebracht in de moderne biologie, hoewel het de complexiteit waarmee onderzoekers worden geconfronteerd aanzienlijk heeft verdiept. Het opgeruimde model van 1 gen dat 1 RNA-sequentie genereert die een enkel eiwit met bekende structuur en functie oplevert, heeft plaats gemaakt voor een wereld van subtiele en dynamische eiwitmodificatie, met ingrijpende gevolgen voor de gezondheid en ziekte van de mens. De studie van afwijkend gevormde gycans, bijvoorbeeld, is nu een belangrijke nieuwe weg van kankeronderzoek.

Ontwerpen met suiker

Maar hoe worden glycanen gemaakt? Het proces begint wanneer eenvoudige suikers in voedingsmiddelen - bekend als monosachariden - worden geconsumeerd. Deze monosachariden reizen naar twee belangrijke subcellulaire compartimenten die bekend staan ​​als het Golgi-complex en het endoplasmatisch reticulum. Deze membraangebonden organellen fungeren als fabrieken voor de stapsgewijze assemblage van monosacharide-bouwstenen tot complexe, vertakte glycaanstructuren.

Glycanen worden vervolgens gehecht aan eiwitten of lipiden en afgeleverd aan het plasmamembraan, celoppervlakken bekleden met deze suikermoleculen. Er wordt geschat dat 70 procent van de celoppervlakte-eiwitten geglycosyleerd is en onderzoekers proberen nog steeds de functie van al deze glycosylaties vast te stellen.

Toepassingen van dergelijk onderzoek kunnen technieken omvatten op basis van glycanen voor vroege opsporing van kanker en andere ziekten, en de ontwikkeling van toekomstige vaccins en geneesmiddelen tegen infectieziekten op basis van een beter begrip van interacties tussen gastheer en ziekteverwekkers en de immuunrespons. De creatie van nieuwe producten of brandstoffen die zijn samengesteld uit koolhydraatgrondstoffen kan ook voortkomen uit vooruitgang in de glycobiologie.

Toegang tot de bibliotheek

In de huidige studie, onderzoekers hebben met succes het volledige scala aan glycaanvormende en modificerende enzymen geproduceerd die verantwoordelijk zijn voor de productie van meer dan 7000 glycaanstructuren van gewervelde dieren. Om dit te bereiken, de studie probeerde het proces te vereenvoudigen, het produceren van uitgeklede enzymversies die in staat zijn tot effectieve expressie in gastheercellen.

"Met de hulp van Jason (Steele) en Josh (LaBaer), we hebben een ontwerpstrategie gemaakt om deze coderingsgebieden vast te leggen en in een holdingsvector te plaatsen, ' zegt Moremen. 'Dan, we waren in staat om ze in cellen van insecten of zoogdieren te plaatsen en hun vermogen om in die systemen tot expressie te komen testen."

Dit is een belangrijke vooruitgang. Eerdere pogingen om glyco-enzymen te produceren en tot expressie te brengen in eenvoudiger bacteriële cellen zoals E. coli waren grotendeels gestrand. Om de prestatie in meer complexe eukaryote cellen te beheren, zoals die van insecten en zoogdieren, aanzienlijke modificatie van de voor het enzym coderende genen was vereist voordat ze in gespecialiseerde vectoren, bekend als cassettes, konden worden ingevoegd. Deze glyco-enzym-coderende cassettes werden vervolgens ingebracht in insecten- en zoogdiercellen, waar ze tot uiting kwamen.

De groep produceerde een uitgebreide lijst van 339 glyco-enzymen die verantwoordelijk zijn voor de vorming, modificatie en afbraak van glycanen, gericht op deze voor eiwitexpressie. Hoewel de resultaten succesvol waren, expressie op hoog niveau van glyco-enzymen in zowel insecten- als zoogdiercellen, de auteurs merken duidelijke verschillen op in specifieke expressieniveaus in elk van de twee modelsystemen.

The resulting comprehensive library of glycoenzymes provides a vital resource for future advances in glycobiology and is available to researchers worldwide through DNASU.

An enhanced appreciation of glycan structure and function, explored with the aid of the new enzyme library, will help to advance a number of exciting domains of research, including genomics, proteomics, chemical synthesis, materiaal kunde, and engineering.